[論文レビュー] Correlation of Crystal Quality and Extreme Magnetoresistance of WTe$_2$

Mazhar N. Ali, Leslie M. Schoop+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 11被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、自己蒸発輸送による洗浄を組み合わせた再現性のあるフラックス成長法を開発し、高品質なWTe₂単結晶を合成した。9 Tおよび2 Kで175万%という記録的な磁気抵抗を達成し、これは従来報告された値と比べてほぼ1桁高いものであり、1250の残留抵抗比（RRR）と平均キャリア移動度167,000 cm²/Vsのおかげである。磁気抵抗はほぼB²に比例し、冷却速度の制御によって結晶の品質に強く相関しており、再現性のある高品質な結晶が得られた。

ABSTRACT

High quality single crystals of WTe$_2$ were grown using a Te flux followed by a cleaning step involving self-vapor transport. The method is reproducible and yields consistently higher quality single crystals than are typically obtained via halide assisted vapor transport methods. Magnetoresistance (MR)values at 9 Tesla and 2 Kelvin as high as 1.75 million \%, nearly an order of magnitude higher than previously reported for this material, were obtained on crystals with residual resistivity ratio (RRR) of approximately 1250. The MR follows a near B$^2$ law (B = 1.95(1)) and, assuming a semiclassical model, the average carrier mobility for the highest quality crystal was found to be ~167,000 cm$^2$/Vs at 2 K. A correlation of RRR, MR ratio and average carrier mobility ($μ_{avg}$) is found with the cooling rate during the flux growth.

研究の動機と目的

• 欠陥が最小限の高品質なWTe₂単結晶を再現性があり高収率で得るための方法を開発すること。
• 結晶品質（RRRで測定）と磁気抵抗（MR）およびキャリア移動度の直接的相関関係を確立すること。
• フラックス成長中の冷却速度を遅くすることで、結晶品質と極端な磁気抵抗が著しく向上することを示すこと。
• WTe₂の電子的性質に関する信頼性があり再現性のある研究を可能にする一貫した高品質な結晶供給源を提供すること。
• 文献における矛盾する報告を解消し、極端な磁気抵抗値が試料の品質と成長手法に依存することを明らかにすること。

提案手法

• WTe₂単結晶を、一貫性を高めるために事前に反応処理されたWTe₂前駆体を用いたTeフラックス法で成長させた。
• 残留Teと欠陥を除去するために、密封された石英チューブ内で415 °Cで二次的な自己蒸発輸送洗浄工程を適用した。
• フラックス成長プロセス中の冷却速度（2–3 °C/h）を変化させ、結晶品質を制御した。
• 残留抵抗比（RRR）を結晶品質の定量的指標として測定し、RRRが高いほど欠陥が少ないことを示した。
• 磁場依存抵抗率データをローレンツ則（MR = 1 + (μB)²）にフィットさせ、平均キャリア移動度（μ_avg）を抽出した。
• 複数の成長バッチおよび方法（フラックス対蒸発輸送）において、RRR、9 Tおよび2 KでのMR比、μ_avgを相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再現性があり高収率なWTe₂結晶成長法を確立でき、一貫して高品質な単結晶を生成できるか？
• RQ2 フラックス成長中の冷却速度が、残留抵抗比（RRR）およびそれによるWTe₂の磁気抵抗（MR）にどのように影響するか？
• RQ3 RRR、キャリア移動度（μ_avg）、および極端な磁気抵抗（XMR）の間にはどのような関係があるか？
• RQ4 観察されたXMR値は、半古典的モデルで説明可能か？また、MRはB²に従うか？
• RQ5 結晶欠际や不純物が、WTe₂における磁気抵抗の大きさをどの程度制限しているか？

主な発見

• フラックス成長法に自己蒸発輸送洗浄を組み合わせた結果、残留抵抗比（RRR）が最大1250に達するWTe₂結晶が得られ、ハライド補助蒸発輸送法で得られる通常の値よりも顕著に高くなった。
• 最高品質の結晶では、9 Tおよび2 Kで1,750,000%という記録的な磁気抵抗が達成され、これは従来報告された値と比べてほぼ1桁高い。
• 磁気抵抗はほぼB²に比例する（B = 1.95(1)）ことが確認され、ローレンツ則と整合的であり、半古典的起源であることが示された。
• 最高品質の結晶では、2 Kにおける平均キャリア移動度（μ_avg）が167,000 cm²/Vsに達し、非ディラック／ワイル半金属としては非常に高い値であった。
• RRRと磁気抵抗の間に強い非線形相関が認められ、冷却速度を遅くすることでRRRとMRの両方が向上した。
• フラックス成長結晶ではバッチ間の一貫性が高く、蒸発輸送法とは異なり、試料間のばらつきが少なかった。